DAMAGE DETECTION STRATEGY FOR RETICULATED STRUCTURES BASED ON INCOMPLETE STRAIN MODE

Damage detection based on strain responses of vibration is highly attractive for monitoring long-span reticulated structures.However,there are a lot of structure members in reticulated structures and it is impossible to install strain sensors in each member.Therefore,how to locate and quantify damages with the incomplete mode shapes obtained from few strain sensors is a challenge topic.A new strategy,named incomplete strain mode damage detection(ISMDD) strategy,is proposed in this paper.In the strategy,the distribution of the strain sensors in the reticulated structures can be optimized through sensitive analysis on strain mode perturbation matrix,which can be obtained by perturbation theory.Mode assurance criterion(MAC) value is applied in damage location,and the members with relative large MAC values are defined as damage members.In addition,damage index obtained by solving the perturbation equation is used for damage quantification.Numerical analysis on a long-span reticulated structure,including damage location and quantification for single-and multi-member damages,detection for different damage quantity,the effect analysis of sensor quantity,are performed to verify the effectiveness of the proposed ISMDD strategy.It can be shown from the analysis that the ISMDD strategy is effective in damage location and quantification for both single-and multi-member damages.And the quantity of strain sensors has effect on damage location,but has no obvious influence on damage quantification.Additionally,the anti-noise pollution ability analysis of the ISMDD strategy is carried out,which shows that the ISMDD strategy has excellent anti-noise pollution ability for both single-and multi-damaged members.     

基于重构相空间的结构损伤识别方法

介绍了混沌理论中相空间重构技术,应用到结构损伤检测与健康监测中.以单自由度弹簧振子为例分析了基于相空间拓扑结构变化的损伤检测方法的可行性,结果表明,当弹簧的刚度降低,相空间拓扑结构发生明显变化,表明该检测方法是可行的.利用相空间重构技术,直接将结构动态响应以相空间的形式展开,根据损伤前后相空间拓扑结构的变化,提出了新的损伤因子.为了验证该方法的可行性与可靠性,进行了圆拱结构动态实验并进行损伤识别.实验结果表明,该方法能够成功地识别出圆拱结构的损伤位置及损伤程度,且灵敏度较之常用的动力指纹方法有了很大的提高.该方法只需单个测点就能计算出该点损伤因子的值,可作为结构整体参量来监测结构是否存在损伤以及结构健康状况.     

基于初始抗弯刚度识别的梁结构损伤定位

应变模态变化率指标在服役梁结构的损伤定位方面已有应用,但现有研究大多忽视了梁上的初始局部抗弯刚度具有离散性的情况,因此难以区分真实损伤和初始离散性造成的局部刚度变化,对于实际梁结构的应用效果不佳. 先提出了一种通过求解线性方程组来得到梁上各区间真实初始抗弯刚度的方法,然后采用应变模态变化率指标来进行损伤定位. 研究结果表明,该方法可以处理梁上初始局部抗弯刚度具有离散性的情况,实现准确的损伤定位.     

基于小波变换在线结构损伤检测分析研究

传统的傅立叶变换只能确定一个函数奇异性的整体性质,而难以确定奇异点在空间的位置及分布情况.小波变换具有空间局部化性质,利用小波变换来分析信号的奇异性及奇异性位置和奇异度的大小是比较有效的.在结构发生损伤时,结构的刚度发生了变化,因此结构动力响应的在线监测信号相应的发生了间断点,由于小波分析具有刻划信号局部特征的作用,通过对结构响应进行小波分解以后可以确定结构是否出现损伤以及确定损伤发生的时刻.     

基于被动敲击扫描式检测方法的工程桥梁损伤检测

损伤检测技术对于桥梁健康评估和管理至关重要。近年来,基于移动车辆的桥梁损伤检测方法因其简单易行的优点已引起广泛关注。其中,敲击扫描式检测方法通过在敏感频率上施加激励,可以大大提高车辆加速度对桥梁局部刚度变化的灵敏度,而且由于敏感频率远离环境噪声频段,可以保证足够高的信噪比。如果采用车轮激励这种被动方式来产生敲击力,还可以进一步简化检测车的硬件系统,便于现场实施。本文报导了采用被动式敲击扫描检测车对两座在役桥梁的现场试验结果。实测数据表明,该方法不但可以定量地给出桥梁主梁刚度变化率的定量评估指标,还可以发现支座脱空类损伤。这些发现验证了被动敲击扫描式检测方法的实用性,展示了它在桥梁快速损伤检测方面的工程应用价值。

     

基于细观混凝土模型的时间逆转损伤成像方法

提出了一种针对混凝土结构损伤检测的时间逆转损伤成像方法.以检测混凝土结构中与骨料尺寸相近的微小损伤为目的,引入细观混凝土随机骨料模型,该模型将混凝土结构视为由水泥浆基底、骨料及粘接层组成的三相复合材料,基于Monte Carlo随机样本原理并结合真实试件的骨料级配曲线建立.在数值模拟分析中,将生成含损伤的细观模型导入有限元分析软件进行超声波场模拟,同时采用自适应性强的时间逆转模型(time reversed model,TRM)进行损伤定位.TRM分为正向检测和逆时成像两个部分:正向检测过程得到包含损伤的一系列散射回波信号,从数值角度进行时间反演并作为逆时过程的输入信号;逆时成像过程选用等效弹性参数模型,几何尺寸与随机骨料模型相同,时反信号在相应几何位置同时加载形成时反波场,时反波场在损伤位置会发生干涉叠加从而导致能量峰值的出现,通过确定干涉峰值时刻,并获取该时刻对应原始波场以及小波变换能量场完成成像.与原始数据波场图相比,小波变换处理成像结果消除了杂波干扰,成像结果更加清晰.进一步对等效弹性参数的取值进行讨论,并且在骨料尺寸范围内调整损伤大小,结果显示成像结果匹配度高,对于非均质混凝土结构的损伤检测能很好满足损伤定位需求.由此证明,时间逆转成像方法对于具有复杂结构的混凝土材料的损伤检测具有较好的适用性.     

压电智能梁的阻抗分析与损伤识别

压电陶瓷具有正、逆压电效应,可以用作自驱动传感器.该文对表面粘贴有单片压电陶瓷的压电智能钢梁进行了阻抗分析.讨论了单压电片驱动下钢梁的纵向振动和弯曲振动,得到了压电智能梁的机械阻抗.介绍了压电片与基梁的机电耦合作用及基于压电阻抗技术的结构损伤识别机理.以两端自由钢梁为例对压电智能梁的压电阻抗进行了数值与实验验证,结果表明数值计算结果与实验结果基本相符.利用压电阻抗技术对两端自由的裂纹钢梁进行了损伤识别实验研究,实验结果发现,裂纹的出现引起高频段压电阻抗实部和虚部曲线出现了明显的变化;随着裂纹尺寸的增大,曲线谐振频率和反谐振频率逐渐减小.由此可见,通过测量钢梁损伤前后压电陶瓷片的电阻抗变化能够识别梁中的裂纹损伤.     

基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法

黏性阻尼模型存在每周期耗散能量与外激励频率相关的缺陷, 复阻尼模型时域计算结果存在发散现象. 为克服上述两种阻尼模型的不足, 在复阻尼模型基础上, 依据时频域转化原则推导了频率相关黏性阻尼模型. 频率相关黏性阻尼模型不仅具有每周期耗散能量与外激励频率无关的优点, 还保证了结构位移时程的稳定收敛. 混合结构由具有不同阻尼特性的材料组成, 其阻尼矩阵为非比例矩阵, 无法直接采用实模态叠加法. 根据频率相关黏性阻尼模型与复阻尼模型的转换关系, 提出了适用于混合结构的基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法. 算例分析结果表明, 与基于黏性阻尼模型的复模态叠加法相比, 基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法不仅计算结果唯一, 且不增加矩阵维度, 具有较高的计算效率. 小阻尼情况下, 两种方法的计算结果近似相等, 且与复阻尼模型的频域计算结果一致. 当阻尼比较大时, 两种方法的计算结果差异增大, 但频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法与复阻尼模型的频域计算结果仍保持一致.      

基于移动载荷响应的多跨连续桥梁损伤检测

应用有限元法将连续桥梁结构离散为两跨弱耦合欧拉-伯努利梁模型,研究了该弱耦合梁系统由于局部损伤而引起的振动模态局部化现象.利用Newmark直接积分法求出在移动车载作用下桥梁的动态响应,并进一步推导出动态响应桥梁对物理参数(如杨氏模量)的时域灵敏度.在反问题中利用基于响应灵敏度的有限元模型修正法识别出桥梁的局部损伤,并讨论了人工测量噪声对损伤识别结果的影响.算例表明该方法能够快速有效地检测具有相重频率的弱耦合系统的局部损伤,并具有精度高、对测量噪声不敏感等特点.     

基于改进残余力向量法的桁架结构损伤诊断

提出一种基于改进残余力向量法的桁架结构损伤诊断方法. 先由灵敏度分析, 求出结构刚度联系矩阵,再由刚度联系矩阵将损伤后的刚度摄动矩阵展开成对角矩阵,代入 残余力向量方程,得到由刚度联系矩阵表示的新的残余力向量方程,此方程可以直接求解, 即可诊断出桁架结构的损伤杆件及其损伤程度. 对于实测中难以获得完备振型的情况,采用 模态扩阶的方法来获得完备的测试振型. 最后以一桁架结构进行数值仿真分析,证实了该方 法的有效性.     

基于压电振动能量俘获的弯曲结构损伤监测研究

建立了含裂纹损伤的曲梁压电能量俘获系统在强迫振动下的动力学模型. 基于Prescott型压电曲梁力电耦合振动方程的解析解和裂纹截面处的连续性条件, 求解了含裂纹损伤的压电曲梁的格林函数. 根据线性叠加原理, 对含裂纹的力电耦合模型的系统方程解耦, 得到强迫振动下含裂纹损伤的曲梁压电俘能器的输出电压. 在得到模型的强迫振动解析解后, 提出逆方法检测结构中的裂纹损伤, 这一检测方法适用于处于振动状态下的结构. 在数值计算中, 令裂纹深度为零, 通过对比本文的解析解与现有文献中的解析解, 验证了本文解的有效性. 分别分析了含裂纹损伤的压电曲梁的电压响应与裂纹深度、裂纹位置、材料的几何参数以及阻尼之间的关系. 研究结果表明: 裂纹的存在对曲梁式压电俘能器的影响比直梁式更加复杂; 裂纹出现时, 损伤曲梁在健康曲梁的一阶频率值处一定会出现波动并被激励出二阶频率, 此时的二阶频率是开路中健康压电曲梁的一阶频率值; 通过对电压响应的检测可以确定的损伤裂纹的深度和在结构中出现的位置范围; 利用振动问题的解来检测压电曲梁的健康状况是可行且准确的.      

基于假设模态加权的全局模态提取方法及其应用

假设模态法在单一梁、杆、索、板等柔性结构动力学建模中有广泛应用,但在处理组合结构振动问题时,常常因无法反映各部件之间的耦合作用使其应用受限。通过假设模态建立组合结构的近似动力学模型,利用近似模型求得系统的固有频率和相应的特征向量,据此可以有效地获得系统的全局模态。本文以跨中带有多个弹性支撑的简支梁为例,通过假设模态加权来提取系统的全局模态,从而建立系统的动力学模型。对系统进行固有特性分析的结果表明,通过假设模态加权可以方便地获得系统的全局模态;对系统动态响应分析的结果表明,采用本文提出的全局模态建立的非线性动力学模型可以有效地反映系统的非线性动力学特性。

     

基于动力响应识别结构内部缺陷的损伤指标法

结构振动响应对于检测结构内部损伤具有重要意义,利用距离缺陷不同位置处传感器实测响应与无损结构响应之间的差异,定义各传感器的不同权重, 在此基础上构建结构不同位置处的损伤指标.研究中运用动力扩展有限元法结合水平集法描述结构内部缺陷以避免迭代计算中的网格重划分.首先, 在得到不同位置的传感器权重后,利用阈值函数使原来呈线性的权重转换为非线性权重,即对不同位置处权重大小进行放缩,并通过引入双三次插值得到结构的损伤指标及其分布,结合插值成像技术识别缺陷数目及其所在的大致区域; 最后,在利用智能算法进行反演的过程中, 先剔除不必要的传感器,再引入加权系数改进目标函数进行精确反演. 若干算例的分析表明:损伤指标法能够在缺陷数目未知的情况下通过正向建模快速得出缺陷具体数目及位置初步信息,引入加权系数的目标函数反分析方法相较于以往智能算法可以更快达到收敛,更加高效地得出缺陷精确位置. 为了进一步证明该模型的可行性及工程应用前景,运用本文建立的模型对含圆形孔洞缺陷的钢筋混凝土板进行了缺陷检测,得到了较好的反演结果, 证明提出的模型切实可行且具有一定的工程意义.      

A GEOMETRIC THEORY IN INVESTIGATION ON MODE LOCALIZATION AND FREQUENCY LOCI VEERING PHENOMENA

According to the mapping theory in complex plane,the geometric features of eigen fre-quency loci of systems undergoing free vibrations are investigated.It is concluded that the phenomenaof curve coalescence and veering can be described in a unified manner from the singularities of map-ping from the complex parameter plane onto the complex frequency plane.The formation of a branchpoint in the parameter space is the foundation of explaining localization and veering phenornena.Bythe use of condensation to reduce the dimension of a system,the scope of application of the geometrictheory is widely expanded.The theory is applied to examples to verify the validity of the proposed ap-proach.The present work is an improvement and extension of recent work by M.S.Traintafyllou etal.,     

模态局部化及频率曲线转向现象研究的几何理论

根据复平面映射理论，详细讨论了结构振动系统的固有频率曲线在复平面的几何特点．研究表明，频率曲线重合和转向现象实际上可进行统一的几何描述．复参数平面中支点的形成是解释局部化现象和曲线转向现象的基础．利用近频摄动理论中的缩聚方法将系统降维，大大拓宽了这一几何方法的使用范围．计算实例验证了理论分析所得的结果．该文是对Ｍ．Ｓ，Ｔｒｉ－ａｎｔａｆｙｌｌｏｕ等近期工作的改进与推广．     

基于结构化变形驱动的非局部宏-微观损伤模型的真Ⅱ型裂纹模拟

Ⅱ型载荷作用下裂纹变形模式也为Ⅱ型的破坏问题称为真Ⅱ型破坏.准确定量地把握真Ⅱ型破坏的全过程是具有挑战性的问题.本文采用结构化变形驱动的非局部宏-微观损伤模型对真Ⅱ型破坏问题进行了模拟.根据结构化变形理论将点偶的非局部应变分解为弹性应变与结构化应变两部分,进而利用Cauchy-Born准则与结构化应变计算点偶的结构化正伸长量.在本文中,结构化应变取为非局部应变的偏量部分.当点偶的结构化正伸长量超过临界伸长量时,微细观损伤开始在点偶层次发展.将微细观损伤在作用域中进行加权求和得到拓扑损伤,并通过能量退化函数将其嵌入到连续介质-损伤力学框架中进行数值求解.进一步地,本文采用Gauss-Lobatto积分格式计算点偶的非局部应变,将积分点数目降低到4个,显著降低了前处理和非线性分析的计算成本.通过对Ⅱ型加载下裂尖应变场的分析揭示了采用偏应变作为结构化应变的原因.对两个典型真Ⅱ型破坏问题的模拟结果表明,本文方法不仅可以把握Ⅱ型加载下的真Ⅱ型裂纹扩展模式,同时可以定量刻画加载过程中的载荷-变形曲线,且不具有网格敏感性.最后指出了需要进一步研究的问题.     

结构损伤探测的基本方法和研究进展

对目前关于结构的损伤探测的基本方法和最新的研究进展进行了回顾主要介绍利用结构的振动响应和系统动态特性参数进行结构损伤探测的方法和研究进展,并进行了相应的评述．对利用应力波效应和神经网络技术的损伤探测方法也做了简要的介绍和评述．最后对这一研究领域未来的若干研究方向进行了展望．      

基于漫反射法的钢构件塑性变形与损伤检测

从结构损伤识别的需要出发研究能够准确反映钢构件承载过程中发生的塑性变形和损伤过程的量化测试方法. 用漫反射法测量了钢构件在变形和损伤过程中表面粗糙度变化的图像,依据记录下来的表面图像进一步处理得到构件表面粗糙度的平均灰度值的变化,据此寻找对构件塑性变形和损伤状态相关并且敏感的参数指标. 研究结果表明,基于漫反射法和图像处理得到的钢构件承载过程中表面粗糙度的平均灰度值的变化可以判断金属试样是否发生了塑性变形,并可定量描述试样在塑性变形后期的损伤程度.     

ANALYSES ON STRUCTURAL DAMAGE IDENTIFICATION BASED ON CIMBINED PARAMETERS

The relative sensitivities of structural dynamical parameters were analyzed using a directive derivation method. The neural network is able to approximate arbitrary nonlinear mapping relationship, so it is a powerful damage identification tool for unknown systems. A neural network-based approach was presented for the structural damage detection. The combined parameters were presented as the input vector of the neural network, which computed with the change rates of the several former natural frequencies (C), the change ratios of the frequencies (R), and the assurance criterions of flexibilities ( A ). Some numerical simulation examples, such as, cantilever and truss with different damage extends and different damage locations were analyzed. The results indicate that the combined parameters are more suitable for the input patterns of neural networks than the other parameters alone.